(蔡捷歡)工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)講解

1、成人高等教育綜合實(shí)踐題 目工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì) 學(xué) 院 自動(dòng)化學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 電氣自動(dòng)化技術(shù) 年 級(jí) 2014級(jí) 姓 名 蔡捷歡 指導(dǎo)教師 鐘映春 （2016年 6月）廣東工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院制7廣東工業(yè)大學(xué)成人高等教育綜合實(shí)踐摘 要隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴(kuò)展和深化。工業(yè) 機(jī)器人已成為一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),正為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)揮著巨大作用。本文簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外 工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀 。指出了我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的影響因素和實(shí)施 策略 ,闡述了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)提出若干面向產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù)發(fā)展建議。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 自動(dòng)化

2、產(chǎn)業(yè)化 發(fā)展趨勢(shì) Abstractwith continuousdevelopment computerscience technology,industrial robots applications has been expanding deepening.Industrial robot has become hightechnology industries, play importantrole industrialautomation. paperbriefly introduces mainapplication currentsituation industrialr

3、obots abroad.Industrial robots pointedout influencefactors industrialdevelopment implementationstrategy elaborated developmenttrend industrialrobot technology puts forward some robot technology development Suggestions industrialization.Keywords:industrial robot automation industrial development tren

4、d 緒論機(jī)器人學(xué)是一門(mén)綜合性的新興學(xué)科,它是綜合了機(jī)械工程技術(shù)、電子工程技術(shù)、信息傳感 器技術(shù)、控制理論、機(jī)構(gòu)學(xué)、人工智能學(xué)、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)。在國(guó)外工業(yè) 機(jī)器人技術(shù)日趨成熟, 其己經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)廣泛應(yīng)用,它代表了機(jī) 電一體化的最高成就。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平也成為一個(gè)國(guó) 家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)分支,工業(yè)機(jī)器人已成為柔性 制造系統(tǒng)( FMS)、自動(dòng)化工廠(FA)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)( CIMS) 的自動(dòng)化工具。廣泛采用 工業(yè)機(jī)器人,不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量,而且對(duì)保障人身安全,改善勞動(dòng)環(huán)境

5、,減輕勞動(dòng) 強(qiáng)度,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本,對(duì)促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)的崛起,有著 十分重要的意義。一、 機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀1.1國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)機(jī)器人指的是能在人的控制下智能工作，并能完美替代人力在生產(chǎn)線(xiàn)上工作的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置。與人力相比，工業(yè)機(jī)器人具備低成本、高效率以及24小時(shí)工作的特點(diǎn)。近年，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，勞動(dòng)力成本隨之上漲，我國(guó)制造業(yè)人力優(yōu)勢(shì)不再，在制造業(yè)升級(jí)的大背景下，“機(jī)器換人”提高制造業(yè)智能化程度成為新的潮流。我國(guó)現(xiàn)已是全球最大的工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)市場(chǎng)，工業(yè)機(jī)器人已在汽車(chē)制造、電子、橡膠塑料、軍工、航空制造、食品工業(yè)、醫(yī)藥設(shè)備與金屬制品等領(lǐng)域得到應(yīng)用

6、，其中汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用最多，比例達(dá)38%。廣東、江蘇、上海、北京等地是我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)主要集中的地區(qū)，擁有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量占據(jù)全國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的半壁江山，包括中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化設(shè)備有限公司、哈爾濱博時(shí)自動(dòng)化設(shè)備有限公司、北京工業(yè)自動(dòng)化研究所機(jī)器人開(kāi)發(fā)中心等。不過(guò)，工業(yè)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)不斷得到應(yīng)用的同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展尷尬現(xiàn)狀不容忽視。進(jìn)入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下隨著改革開(kāi)放的不斷深入我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究得到了政府的重視與支持。“七五”期間國(guó)家投入資金對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年國(guó)家高技術(shù)研究

7、發(fā)展計(jì)劃“863計(jì)劃”開(kāi)始實(shí)施智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿。經(jīng)過(guò)幾年的研究取得了一大批科研成果成功地研制出了一批特種機(jī)器人。目前由于核心技術(shù)缺乏，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)嚴(yán)重依賴(lài)國(guó)外企業(yè)，尤其在減速機(jī)、伺服電機(jī)、控制器等核心零部件上，我國(guó)機(jī)器人企業(yè)受制于人，只能購(gòu)買(mǎi)高昂的國(guó)外設(shè)備，這需要引起產(chǎn)業(yè)重視，也亟待國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人廠商不斷提高技術(shù)，加大研發(fā)水平，早日擺脫國(guó)外企業(yè)。1.2全球工業(yè)機(jī)器人核心部件的競(jìng)爭(zhēng)格局世界機(jī)器人的競(jìng)爭(zhēng)格局 世界工業(yè)機(jī)器人 40年形成了約160萬(wàn)臺(tái)套的裝機(jī)量，2012年世界新裝機(jī)器人182000 臺(tái)，主機(jī)市 場(chǎng) 80-1200 億美元， 并帶動(dòng)3倍左右軟件集成、配套設(shè)備

8、、系統(tǒng)工程等系統(tǒng)集成市場(chǎng)， 總計(jì) 260-330億美元，其中焊接和搬運(yùn)機(jī)器人占了70%的市場(chǎng)份額。2008-2013年期間，世界工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)量年平 均增長(zhǎng)率為9%。其中，日本和歐洲是全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的兩大主角，并實(shí)現(xiàn)了傳感器、控制器、精密減速機(jī)等核心零部件完全自主化。日本60年代末從美國(guó)引進(jìn)機(jī)器人技術(shù)后，已經(jīng)成為機(jī)器人生產(chǎn)第一大國(guó)， 日本的工業(yè)機(jī)器人約占全球的60%市場(chǎng)份額， 代表企業(yè)有發(fā)那科、安川、那智不二越等。歐洲占全球工業(yè)機(jī)器人的30%市場(chǎng)份額，代表企業(yè)有瑞士的ABB、德國(guó)的庫(kù)卡、意大利的柯馬。全球工業(yè)機(jī)器人主要國(guó)家技術(shù)分布 日本韓國(guó)歐洲美國(guó)機(jī)器人本體極為突出一般很突出一般系

9、統(tǒng)集成極為突出突出一般很突出個(gè)人/家用機(jī)器人極為突出很突出一般一般服務(wù)機(jī)器人突出很突出突出突出醫(yī)療機(jī)器人一般一般很突出很突出國(guó)防機(jī)器人一般不突出突出極為突出四大品牌工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)對(duì)比發(fā)那科ABB安川電機(jī)庫(kù)卡1）、非常便捷的工藝控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴涂參數(shù)的無(wú)級(jí)調(diào)整，在生產(chǎn)過(guò)程中也可修改噴涂參數(shù)手腕動(dòng)作靈活，高加速度，對(duì)提高小型工件噴涂節(jié)拍非常高效 2)、和同類(lèi)型機(jī)器人相比，F(xiàn)ANUC 機(jī)器人底座尺寸小，為客戶(hù)采用更小的噴房提供了更好的解決方案； 3）、發(fā)那科機(jī)器人的空心手腕可以讓油管，氣管布置更加便捷，大幅減少了噴房保潔工量，為生產(chǎn)贏得時(shí)間；4）、發(fā)那科機(jī)器人獨(dú)有的手臂設(shè)計(jì)，讓機(jī)器人可以靠近噴房

10、壁安裝，機(jī)器人保證高度靈活生產(chǎn)的條件下也不會(huì)與噴房壁干涉。ABB重視運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，早在1994 年，就推出了新一代具有TrueMove和QuickMove 功能的機(jī)器人。TrueMove 可確保機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑與編程路徑嚴(yán)格相符，而不論其運(yùn)行速度及路徑幾何形狀如何。QuickMove 則是一種獨(dú)具特色的自動(dòng)優(yōu)化型運(yùn)動(dòng)控制功能，可確保機(jī)器人動(dòng)作任何時(shí)候都達(dá)到最高的速度和加速度，從而最大程度縮短周期時(shí)間。 ABB 機(jī)器人在單方面來(lái)說(shuō)不一定是最好的，但就整體性來(lái)說(shuō)是很突出的。 安川是以系統(tǒng)工程開(kāi)始起家的，是從系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展起來(lái)的。安川擁有先進(jìn)的系統(tǒng)工程技術(shù)，可以滿(mǎn)足大規(guī)模的車(chē)間及公共事業(yè)設(shè)備

11、的時(shí)代需求， 以“提供解決方案”為概念，不斷生機(jī)勃勃前進(jìn)著的安川電機(jī)機(jī)器人產(chǎn)品系列在重視客戶(hù)間交流對(duì)話(huà)的同時(shí)，針對(duì)更寬廣的需求和多種多樣的問(wèn)題提供最為合適的解決方案。庫(kù)卡產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、冶金、食品和塑料成形等行業(yè)。KUKA 的機(jī)器人產(chǎn)品最通用的應(yīng)用范圍包括工廠焊接、操作、碼垛、包裝、加工或其它自動(dòng)化作業(yè)，同時(shí)還適用于醫(yī)院，比如腦外科及放射造影。KUKA 碼垛機(jī)器人的顯著特點(diǎn)是速度快，因?yàn)闄C(jī)器人的手臂采用高分子碳素纖維材料制造而成，既滿(mǎn)足機(jī)器人手臂在高速運(yùn)行過(guò)程中對(duì)剛度的特殊需求，又可以大幅度提高機(jī)器人本身的動(dòng)慣性能以及加速能力。機(jī)器人控制器采用和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人完全相同的標(biāo)準(zhǔn)，另外，碼垛專(zhuān)用的軟

12、件功能包括KUKAPalletLayout，KUKAPalletPro，KUKAPalletTech 可以根據(jù)客戶(hù)要求提供非常輕松的碼垛應(yīng)用和編程環(huán)境。二、現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基礎(chǔ)部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括臂部、腕部和手部有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有 36個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度其中腕部通常有13個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)并進(jìn)行控制。 工業(yè)機(jī)器人最顯著的特點(diǎn)有以下幾個(gè)：（1）可編程。生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性啟動(dòng)化。工業(yè)機(jī)器人可隨其工作環(huán)境變化

13、的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過(guò)程中能發(fā)揮很好的功用是柔性制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。 （2）擬人化。工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類(lèi)似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分在控制上有電腦。此外智能化工業(yè)機(jī)器人還有許多類(lèi)似人類(lèi)的“生物傳感器”如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺(jué)傳感器、聲覺(jué)傳感器、語(yǔ)言功能等。傳感器提高了工業(yè)機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境的自適應(yīng)能力。 （3）通用性。除了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用的工業(yè)機(jī)器人外一般工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如更換工業(yè)機(jī)器人手部末端操作器手爪、工具等便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。 （4）工業(yè)機(jī)器技術(shù)涉及的學(xué)科相

14、當(dāng)廣泛歸納起來(lái)是機(jī)械學(xué)和微電子學(xué)的結(jié)合-機(jī)電一體化技術(shù)。第三代智能機(jī)器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器而且還具有記憶能力、語(yǔ)言理解能力、圖像識(shí)別能力、推理判斷能力等人工智能這些都是微電子技術(shù)的應(yīng)用特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動(dòng)其他技術(shù)的發(fā)展機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以驗(yàn)證一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平。當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、具有多種感知能力、具有較強(qiáng)的對(duì)作業(yè)環(huán)境的自適應(yīng)能力的方向發(fā)展。圖2-1 焊接工作站三、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展技術(shù)動(dòng)向在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上第二代工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)推廣成為主流安裝機(jī)型第三代智能機(jī)器人已占有一定比

15、重。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及在系統(tǒng)FMS、CIMS中的群體應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)“敏捷制造”滿(mǎn)足多樣化、個(gè)性化的需要，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)向非制造領(lǐng)域進(jìn)軍。 1. 感覺(jué)功能 感覺(jué)功能方面將實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的融合，以檢測(cè)多變的外部環(huán)境做出判斷和決策。其實(shí)質(zhì)類(lèi)似于人的五官和身體的綜合感覺(jué)功能，包括視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)、接近覺(jué)、壓覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、溫覺(jué)等。研究包括各類(lèi)傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅(qū)動(dòng)器一體化技術(shù)、感覺(jué)功能繼承模塊等。 2. 控制智能化由引導(dǎo)向NC離線(xiàn)編程發(fā)展，進(jìn)而發(fā)展到進(jìn)一步應(yīng)用。隨著系統(tǒng)化、集成

16、化生產(chǎn)的需要，基于PC的開(kāi)放式控制系統(tǒng)將機(jī)器人控制和車(chē)間一級(jí)控制的發(fā)展方向。 3. 移動(dòng)功能的智能化為解決長(zhǎng)距離搬運(yùn)作業(yè)、大作業(yè)對(duì)象、多作業(yè)對(duì)象及極限作業(yè)等問(wèn)題，需開(kāi)發(fā)自主移動(dòng)系統(tǒng)，包括滑動(dòng)、滾動(dòng)、行走、爬行、跳躍、飛行等 4. 系統(tǒng)應(yīng)用與集成化 支持以人為核心的生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人群體協(xié)調(diào)功能、群智能和多機(jī)通訊協(xié)議，開(kāi)發(fā)能理解人的意志的“同事機(jī)器人”。 5. 安全可靠性 由于大量不確定因素的存在，要實(shí)現(xiàn)智能化的安全可靠性，機(jī)器人必須對(duì)各種意外情況的應(yīng)變能力，及時(shí)采取預(yù)防措施和安全對(duì)策，包括硬件級(jí)、軟件級(jí)、應(yīng)用級(jí)和人體系統(tǒng)級(jí)的自診斷和自修復(fù)故障。 6. 微型化 向微型化發(fā)展，開(kāi)發(fā)毫米

17、級(jí)機(jī)器人。由于微加工、醫(yī)學(xué)、宇宙和海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。就使用性和成本來(lái)看毫米級(jí)最可行。 7. 多傳感器信息融合與配置技術(shù) 由于機(jī)器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過(guò)程中控制和污水處理自動(dòng)控制中的應(yīng)用包括面向工藝過(guò)程的多傳感器融合和配置技術(shù)，采用智能傳感器的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，面向工藝要求的新型傳感器研制。機(jī)電一體化智能傳感器，包括具有感知、自主運(yùn)動(dòng)、自清污、自調(diào)整、自適應(yīng)的機(jī)電一體化傳感器研究，面向工藝要求的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的清污的自主運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 智能機(jī)器人具有廣闊的發(fā)展前景，盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)智能機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了很多成果，但是智能化水平還不是非常的高。因此還必須加快智能機(jī)器人的發(fā)展機(jī)。智能機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境是相當(dāng)復(fù)雜的，要想機(jī)器人有比較好的發(fā)展，需解決現(xiàn)在面臨的許多問(wèn)題。通過(guò)對(duì)自然界生物的學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)相關(guān)的理論和技術(shù)方法應(yīng)用到機(jī)器人中，使得機(jī)器人在功能和技術(shù)水平上不斷的有所突破。從而生產(chǎn)出更先進(jìn)、更智能的機(jī)器人。 我國(guó)的智能機(jī)器人發(fā)展水平還落后于世界先進(jìn)水平，所以我國(guó)在智能機(jī)器人領(lǐng)域要認(rèn)清當(dāng)今的情勢(shì)，明確我們的發(fā)展目標(biāo)，采取與我國(guó)的實(shí)力相符合的對(duì)策，慢慢縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，提升我國(guó)智能機(jī)器人的發(fā)展水平。結(jié) 論我國(guó)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用前景十分樂(lè)觀。但是其核心技術(shù)被壟斷，特別是利潤(rùn)最高的